具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明提供的用于电子束熔丝沉积过程的丝件相对高度控制装置的结构示意图，如图1所示，本发明提供了一种用于电子束熔丝沉积过程的丝件相对高度控制装置，包括图像采集模块101、前置束斑生成模块102和处理模块103，其中：

所述图像采集模块101，用于在电子束熔丝沉积过程中，实时采集所述前置束斑生成模块102生成的前置束斑。

在本发明中，图像采集模块101可以是工业相机，通过设置在电子束熔丝沉积设备真空室内的顶部，在进行的沉积过程时，对前置束斑进行图像采集，并记录采集时的沉积位置信息。

所述前置束斑生成模块102，用于生成与电子束沿预设行进路径同步移动的前置束斑，其中，所述前置束斑设置于所述电子束的前方。

电子束熔丝沉积设备的电子枪用于产生高速电子束，熔化丝材并形成熔池。在本发明中，前置束斑生成模块102可通过电子枪产生前置束斑，具体地，通过线圈驱动器将波形发生器生成的电压信号转换为驱动电流，用于驱动偏转线圈；偏转线圈用于在电子束路径上产生磁场，以控制电子束进行高速偏转，将电子枪的电子束能量按比例分配给熔池和前置束斑。在本发明中，可通过多种方式实现加工时丝件间的相对运动方式，当工件在高度方向不运动时，电子枪和送丝嘴同步运动；当电子枪和送丝嘴在高度方向不运动时，工件独立运动；当电子枪和工件均不运动，送丝嘴独立运动。

所述处理模块103，用于对所述前置束斑图像进行处理，获取采集位置的实际相对高度数据，并将所述实际相对高度数据和预设相对高度数据进行对比，获取差值数据，以根据所述差值数据对丝材和零件之间的距离进行调整。

在本发明中，前置束斑生成模块102在即将进行沉积的位置形成一个前置束斑，基于视觉监控的方式，通过图像采集模块101实时检测前置束斑位置零件的表面高度并进行记录，由于前置束斑和当前熔池的电子束在同一行进路径上，并且前置束斑处于电子束的前方，从而通过前置束斑提前采集下一个熔池位置的零件表面的高度，判断是否与理想零件表面高度一致，若不是，则根据差值数据，通过电子束熔丝沉积设备中的数控系统，基于工控机生成的运动控制信号，控制数控运动平台各运动轴的电机转动，以控制丝件相对运动，对丝材和零件之间的距离进行调整，保持丝件相对高度为恒定值。

在一可选实施例中，通过处理模块103通过图像处理算法，基于前置束斑，提取工件即将沉积位置的表面高度并存储；根据存储的工件表面高度信息，通过参数识别获取的系统模型和自动控制算法计算合理的束件相对运动轨迹，向数控系统发出对应运动控制信号。在本发明中，系统模型可以为简单的一阶惯性环节，也可以是非线性动态模型等，模型参数由事先进行的阶跃输入试验或白噪声输入试验确定，且可以在成形过程中实时根据系统响应调节对应参数；控制算法可使用传统PID(Proportion Integral Differential)控制算法，也可以使用自适应最优控制等现代控制算法实现。

本发明提供的用于电子束熔丝沉积过程的丝件相对高度控制装置，通过在即将进行沉积的位置形成一个前置束斑，通过视觉监控实时检测前置束斑位置零件表面高度并进行记录，根据记录的数据实时控制丝件进行相对运动，保持丝件相对高度为恒定值，克服了图像处理带来的时间滞后和机械系统执行延迟，保障了控制的实时性，并且，能同时避免丝件相对高度过大导致的大滴过渡、飞溅和丝件相对高度过小导致的粘丝问题，进而提高成形质量和效率。

在上述实施例的基础上，所述前置束斑生成模块基于电子束熔丝沉积设备的电子枪，通过偏转线圈产生偏转磁场，使得电子枪产生的电子束发生周期性偏转，生成预设规格的前置束斑。

在本发明中，前置束斑生成模块可通过电子枪生成预设规格的前置束斑。具体地，电子枪发射电子束，电子束熔化材料形成熔池；然后，工控机根据当前沉积路径向波形发生器发出指令，波形发生器生成电压信号，由线圈驱动器放大为电流，通过线圈产生偏转磁场，使电子束发生高速偏转。在每个偏转周期T内，设置偏转信号存在的时间为Td，电子枪的功率为P，则用于熔化丝材和形成熔池的功率为：

用于在即将进行沉积的位置形成一个前置束斑的剩余功率为：

通过调整合适的Td(可根据熔丝材料和实验确定)，可以保证前置束斑具有足够的亮度，但基板材料不熔化；最后，图像采集模块(工业相机)在工控机的控制下，不断拍摄包含前置束斑的图像，传送给工控机。

在上述实施例的基础上，所述图像采集模块通过云台和支架，设置在电子束熔丝沉积设备的真空室的内部，其中，所述云台用于调整所述图像采集模块的图像采集方向，以使得所述图像采集模块的采集视野包含前置束斑和熔池。

在上述实施例的基础上，所述图像采集模块还包括采集终端保护单元，用于保护图像采集模块的采集镜头。

在本发明中，图像采集模块为工业相机，通过采集终端保护单元、云台和支架安装在电子束熔丝沉积设备的真空室内，采集终端保护单元包含金属外壳和前端的可更换玻璃片，用于防止加工过程中产生的金属蒸气蒸镀到相机镜头上，保证相机获取的图像清晰明亮；云台用于调整相机轴线方向，使相机轴线对准熔池附近区域，相机视野能同时包含熔池和前置束斑；支架用于将相机固定在真空室内的预设位置，保证相机拍摄角度和距离合适。

在上述实施例的基础上，所述装置还包括图像预处理模块，用于对采集到的前置束斑进行预处理，所述预处理包括去噪处理、二值化处理和区域提取处理。

在一可选实施例中，图2为本发明提供的电子束熔丝沉积过程的丝件相对高度控制装置的整体结构示意图，可参考图2所示，支架1使用4040铝型材搭建，固定在电子束熔丝沉积设备的真空室内，用于将相机3安装到预设位置；支架1末端安装有云台2，云台2采用万向球头云台，用于将相机3的轴线对准熔池附近区域；支架1和云台2配合调整相机3的位姿。采集终端保护单元4连接在云台2末端，包含铝制金属外壳和前端可更换的石英玻璃片，用于隔绝金属蒸气，防止相机3的镜头被金属蒸气蒸镀污染，保证相机3拍摄的图像明亮清晰，其中，相机3采用工业相机，安装在采集终端保护单元4内部，用于获取熔池和前置束斑的图像。

进一步地，工控机13为IPC610L工控机，其上安装有相机驱动、图像处理、最优控制、数控系统通讯客户端和波形发生器驱动等程序，用于控制相机3帧率、曝光时间和增益等工作参数，接受相机3采集到的图像，并处理获取前置束斑的高度，计算给出工件运动的最优轨迹，将运动轨迹传输给数控系统16，以使得数控系统16根据当前沉积方向，控制波形发生器14产生偏转信号。其中，图像处理程序通过去噪、二值化和区域提取等步骤，获取前置束斑的区域中心在图像上对应的像素坐标(X，Y)，图3为本发明提供的前置束斑高度计算的示意图，可参考图3所示，使用下式计算前置束斑对应的工件表面高度h(即采集位置的实际相对高度数据)并储存在缓存中：

h′＝(Y-0.5·Y₀)·s；

其中，Y₀表示前置束斑图像包含的像素行数，s表示相机感光芯片上每个像素的尺寸，h′表示前置束斑的中心在相机感光芯片上的位置，u₀表示理想零件表面到镜头的距离，v₀表示相机感光芯片到镜头的距离，α为表示相机光轴与工作台水平面的夹角，h₀表示理想零件表面的高度。图像处理程序同时读取缓存中当前熔池位置的高度，与预设值进行比较，将偏差值传输给最优控制程序。最优控制程序根据系统模型，以误差平方和最小为指标计算最优相对运动轨迹，其中，系统模型为非线性动态Hammerstein模型，模型参数由事先进行的白噪声输入试验确定，且在成形过程中实时根据系统响应不断调节。

可参考图2所示，电子枪5为电子束熔丝沉积设备的一部分，用于产生高速电子束7，熔化丝材并形成熔池9，以完成沉积层成形过程。波形发生器14采用PCI8100波形发生卡，在工控机13的控制下输出偏转信号。在一个实施例中，偏转信号为方波，频率300Hz，占空比20％，幅值为5V。线圈驱动器将波形发生器14提供的电压信号转换为驱动电流，用于驱动偏转线圈6。偏转线圈6用于在电子束7路径上产生磁场，控制电子束7进行高速偏转，在工件11上同时形成熔池9和前置束斑10，并控制能量在两者间的分配。数控系统16采用西门子840DSL，根据工控机13给出的运动控制信号控制数控运动平台12中各电机的运动，以控制工件相对丝材的运动。需要说明的是，在本发明中，线圈驱动器15和数控系统16是现有电子束熔丝沉积设备中已有的装置系统，其连接关系可参考现有相关技术。

图4为本发明提供的用于电子束熔丝沉积过程的丝件相对高度控制方法的流程示意图，如图4所示，本发明提供了一种基于上述实施例的用于电子束熔丝沉积过程的丝件相对高度控制装置的丝件相对高度控制方法，包括：

步骤401，在电子束熔丝沉积过程中，生成与电子束沿预设行进路径同步移动的前置束斑，且所述前置束斑设置于所述电子束的前方。

在本发明中，可对电子束熔丝沉积设备的电子枪产生的电子束进行周期性偏转，在下一个熔池位置处生成一个前置束斑。

步骤402，对所述前置束斑进行实时采集，并根据所述前置束斑，计算采集位置的实际相对高度数据。

在本发明中，由于前置束斑的位置为上一层的沉积层表面，该表面用于即将进行的沉积过程，如果在上一层沉积过程中未达到预设的表面高度(相比预设高度，存在偏低或偏高)，可通过对前置束斑图像进行采集，可以获知下一个熔池位置的实际相对高度数据(即预先得知在该位置进行熔丝沉积时，丝材和零件表面之间的实际相对距离)。

步骤403，获取所述采集位置对应的预设相对高度数据，并将所述实际相对高度数据和所述预设相对高度数据进行比较，得到差值数据，以根据所述差值数据对丝材和零件之间的距离进行调整。

本发明提供的用于电子束熔丝沉积过程的丝件相对高度控制方法，通过在即将进行沉积的位置形成一个前置束斑，通过视觉监控实时检测前置束斑位置零件表面高度并进行记录，根据记录的数据实时控制丝件进行相对运动，保持丝件相对高度为恒定值，克服了图像处理带来的时间滞后和机械系统执行延迟，保障了控制的实时性，并且，能同时避免丝件相对高度过大导致的大滴过渡、飞溅和丝件相对高度过小导致的粘丝问题，进而提高成形质量和效率。

在上述实施例的基础上，所述根据所述前置束斑，计算采集位置的实际相对高度数据，包括：

对所述前置束斑进行预处理，获取所述前置束斑区域中心的像素坐标(X，Y)；

根据实际相对高度计算公式，计算所述前置束斑对应的采集位置的实际相对高度数据h，所述实际相对高度计算公式为：

h′＝(Y-0.5·Y₀)·s；

其中，Y₀表示前置束斑图像包含的像素行数，s表示图像采集模块的感光芯片上每个像素的尺寸，h′表示前置束斑的中心在感光芯片上的位置，u₀表示理想零件表面到镜头的距离，v₀表示感光芯片到镜头的距离，α为表示图像采集模块的光轴与工作台水平面的夹角，h₀表示理想零件表面的高度。

图5为本发明提供的电子设备的结构示意图，如图5所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)501、通信接口(CommunicationsInterface)502、存储器(memory)503和通信总线504，其中，处理器501，通信接口502，存储器503通过通信总线504完成相互间的通信。处理器501可以调用存储器503中的逻辑指令，以执行用于电子束熔丝沉积过程的丝件相对高度控制方法，该方法包括：在电子束熔丝沉积过程中，生成与电子束沿预设行进路径同步移动的前置束斑，且所述前置束斑设置于所述电子束的前方；对所述前置束斑进行实时采集，并根据所述前置束斑，计算采集位置的实际相对高度数据；获取所述采集位置对应的预设相对高度数据，并将所述实际相对高度数据和所述预设相对高度数据进行比较，得到差值数据，以根据所述差值数据对丝材和零件之间的距离进行调整。

此外，上述的存储器503中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的用于电子束熔丝沉积过程的丝件相对高度控制方法，该方法包括：在电子束熔丝沉积过程中，生成与电子束沿预设行进路径同步移动的前置束斑，且所述前置束斑设置于所述电子束的前方；对所述前置束斑进行实时采集，并根据所述前置束斑，计算采集位置的实际相对高度数据；获取所述采集位置对应的预设相对高度数据，并将所述实际相对高度数据和所述预设相对高度数据进行比较，得到差值数据，以根据所述差值数据对丝材和零件之间的距离进行调整。

又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的用于电子束熔丝沉积过程的丝件相对高度控制方法，该方法包括：在电子束熔丝沉积过程中，生成与电子束沿预设行进路径同步移动的前置束斑，且所述前置束斑设置于所述电子束的前方；对所述前置束斑进行实时采集，并根据所述前置束斑，计算采集位置的实际相对高度数据；获取所述采集位置对应的预设相对高度数据，并将所述实际相对高度数据和所述预设相对高度数据进行比较，得到差值数据，以根据所述差值数据对丝材和零件之间的距离进行调整。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。